專利名稱：超寬帶低噪聲放大器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于射頻集成電路設(shè)計(jì)技術(shù)領(lǐng)域，特別是應(yīng)用于超寬帶通信 系統(tǒng)的一種超寬帶低噪聲放大器。
背景技術(shù)：
目前，超寬帶通信主要有兩種方式， 一種是基帶窄脈沖形式，通過(guò)
PPM等方式攜帶信息；另一種是帶通調(diào)制載波形式，通過(guò)MB-OFDM， DS-UWB等調(diào)制方式攜帶信息。在這兩種方案的通信系統(tǒng)中，接收機(jī)都 使用了寬帶低噪聲放大器(LNA)模塊。
傳統(tǒng)的CMOS寬帶LNA的實(shí)現(xiàn)方式通常采用分布式和電阻并聯(lián)負(fù) 反饋結(jié)構(gòu)。
下面分析這兩種結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)。
(1) 分布式放大器此種放大器能提供很好的輸入匹配，提供寬頻 范圍內(nèi)比較平坦的增益，以及較高的三階交調(diào)點(diǎn)IIP3。但因?yàn)樾枰逹 值的傳輸線，這就使得芯片面積加大，不利于降低成本;另外，由于CMOS 晶體管的增益特性，分布式放大器不能達(dá)到很高的增益，其平均增益大 約8dB左右。這在某些應(yīng)用場(chǎng)合對(duì)接收UWB信號(hào)是不夠的。而且分布 式放大器也消耗過(guò)多的直流功耗，也不符合低功耗UWB系統(tǒng)的要求。
(2) 電阻并聯(lián)負(fù)反饋放大器此種放大器能提供寬帶輸入匹配，通 過(guò)反饋來(lái)降低噪聲系數(shù)。但是由于CMOS晶體管的低跨導(dǎo)，導(dǎo)致要消耗 大的功耗去達(dá)到較高的單級(jí)環(huán)路增益，也無(wú)法適應(yīng)低功耗UWB系統(tǒng)的 要求。而如采用多級(jí)放大來(lái)提高增益，則可能會(huì)引起穩(wěn)定性問(wèn)題。
在現(xiàn)有的UWBLNA技術(shù)，主要分為兩種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。 一種是采用一級(jí)放大結(jié)構(gòu)，有兩種方式。第一種方式是單端共源共 柵并利用聯(lián)峰化技術(shù)擴(kuò)展帶寬和提高增益，其電路的優(yōu)點(diǎn)是在超寬帶頻 段的低頻段3.1GHz-5.2GHz增益能達(dá)到10dB左右，噪聲系數(shù)在4dB左 右，同時(shí)功耗也比較小，芯片面積較小，缺點(diǎn)是在高頻段，該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 很難實(shí)現(xiàn)高增益與低噪聲系數(shù)的相互折中；第二種方式是差分共源共柵
結(jié)構(gòu)，利用負(fù)反饋技術(shù)來(lái)展寬帶寬提高增益，其電路的優(yōu)點(diǎn)是在超寬帶
頻段的低頻段3.1GHz-5.2GHz增益平坦度小于ldB，最小噪聲系數(shù)在 3.5dB，功耗14.4mW;缺點(diǎn)增益小于10dB且在高頻段，該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)很 難實(shí)現(xiàn)高增益。
另一種采用兩級(jí)結(jié)構(gòu)，兩極結(jié)構(gòu)有兩種方式。第一種方式是第一級(jí) 用共柵結(jié)構(gòu)來(lái)擴(kuò)展帶寬，第二級(jí)用共源共柵結(jié)構(gòu)來(lái)提高增益其電路拓?fù)?結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，增益也高于10dB，輸入輸出匹配較好，增益平坦度也較低， 缺點(diǎn)是噪聲系數(shù)相對(duì)比較大；第二種方式是兩級(jí)都用共源共柵結(jié)構(gòu)，利 用負(fù)反饋技術(shù)來(lái)展寬帶寬提高增益其優(yōu)點(diǎn)是增益能達(dá)到很高，增益平坦 度很低，噪聲系數(shù)也較小，缺點(diǎn)是功耗很大。
所以如何設(shè)計(jì)一種寬帶低噪聲放大器，使噪聲系數(shù)、增益、輸入輸 出匹配的技術(shù)指標(biāo)都有一定程度的提高，成為一個(gè)重要的開(kāi)發(fā)課題。
在2006年9月13日公開(kāi)的發(fā)明專利申請(qǐng)CN1832335A披露了一種 CMOS超寬帶低噪聲放大器，其放大電路采用差分共源共柵放大結(jié)構(gòu)由 兩個(gè)PMOS管和四個(gè)NMOS組成，在超寬帶頻段的低頻段 3.1GHz-5.2GHz有著較高的增益和較低的噪聲系數(shù)，但使用了兩個(gè)PMOS 管分流，必然使系統(tǒng)功耗增加，對(duì)于UWB系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，這無(wú)法滿足系統(tǒng) 低功耗的要求；同時(shí)其工作頻段為低頻段3.1GHz-5.2GHz，在高頻段無(wú) 法達(dá)到系統(tǒng)高增益和低噪聲系數(shù)的要求。

發(fā)明內(nèi)容
技術(shù)問(wèn)題本發(fā)明的目的在于針對(duì)以上現(xiàn)有技術(shù)存在的缺點(diǎn)，設(shè) 計(jì)一種在UWB的全頻段內(nèi)(3.1-10.6GHz)具有較好增益，噪聲系數(shù)，
輸入輸出匹配，功耗性能指標(biāo)的超寬帶低噪聲放大器集成電路。 技術(shù)方案為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下
一種超寬帶低噪聲放大器，由匹配級(jí)、放大級(jí)、負(fù)載級(jí)依次連接組 成，所述放大級(jí)由四個(gè)MOS管和兩個(gè)反饋電路組成，放大級(jí)為四端口 網(wǎng)絡(luò)，兩個(gè)輸入端，兩個(gè)輸出端；其中，第一輸入端連接第一管的柵極， 第一輸出端接第二 MOS管的漏極，第一 MOS管的柵極與第二 MOS管 的漏極之間連接第一反饋電路；第二輸入端接第三MOS管的柵極，第 二輸出端接第四MOS管的漏極，第三MOS管的柵極與第四MOS管的 漏極之間連接第二反饋電路；兩個(gè)共源MOS管即第一 MOS管、第三
MOS管的漏端分別接兩個(gè)共柵MOS管即第二 MOS管、第四MOS管的源端。
所述第一反饋電路由第一反饋電阻、第一反饋電容、第一反饋電感 串聯(lián)組成；第二反饋電路由第二反饋電阻、第二反饋電容、第二反饋電 感串聯(lián)組成。
有益效果本發(fā)明放大級(jí)由四個(gè)MOS管和兩個(gè)反饋電路組成，結(jié) 構(gòu)簡(jiǎn)單、能耗低，并且在UWB全頻段內(nèi)(3.1-10.6GHz)都具有較好的 增益，噪聲系數(shù)，輸入輸出匹配，功耗性能指標(biāo)。


下面結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型具體實(shí)施方式
進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。
圖1:寬帶LNA結(jié)構(gòu)圖； 圖2:匹配級(jí)電路圖； 圖3:放大級(jí)電路圖4:本發(fā)明超寬帶低噪聲放大器整體電路圖； 圖5:示例S21和NF仿真結(jié)果圖； 圖6:示例S11和S22仿真結(jié)果圖。
具體實(shí)施例方式
如圖l所示， 一種超寬帶低噪聲放太器，由匹配級(jí)l、放大級(jí)2、負(fù) 載級(jí)3依次連接組成。
如圖3所示，放大級(jí)2由四個(gè)MOS管和兩個(gè)反饋電路組成，放大 級(jí)2為四端口網(wǎng)絡(luò)，兩個(gè)輸入端，兩個(gè)輸出端；其中，第一輸入端Vim 連接第一 MOS管Ml的柵極，第一輸出端Vom接第二 MOS管M2的漏 極，第一 MOS管Ml的柵極與第二 MOS管M2的漏極之間連接第一反 饋電路；第二輸入端Vip接第三MOS管M3的柵極，第二輸出端Vop 接第四MOS管M4的漏極，第三MOS管M3的柵極與第四MOS管M4 的漏極之間連接第二反饋電路；兩個(gè)共源MOS管即第一 MOS管Ml、 第三MOS管M3的漏端分別接兩個(gè)共柵MOS管即第二 MOS管M2、第 四MOS管M4的源端。
第一反饋電路由第一反饋電阻Rfi、第一反饋電容Cfl、第一反饋電
感Lfl依次串聯(lián)組成；第二反饋電路由第二反饋電阻Re、第二反饋電容 Cf2、第二反饋電感Lf2依次串聯(lián)組成。第一、第二反饋電阻Rfl、 Ri2用來(lái)
控制反饋到柵極的反饋量。第一、第二隔直電容Cfl、 Cc用來(lái)減小直流 功耗，同時(shí)使交流信號(hào)反饋到柵極。第一、第二反饋電感Lfl、 Le的作 用是在放大器的高頻段呈現(xiàn)一個(gè)很高的電抗，不允許電路在高頻段有降 低增益的負(fù)反饋。通過(guò)降低高頻段的負(fù)反饋來(lái)擴(kuò)展帶寬，同時(shí)也提高了 LNA在高頻段的增益。
如圖2所示，所述匹配級(jí)1為一個(gè)LC帶通濾波器，用于展寬頻帶用。
如圖4所示，所述負(fù)載級(jí)3為電感電阻串聯(lián)電路，構(gòu)成并聯(lián)峰化負(fù) 載，形成了一個(gè)零點(diǎn)，擴(kuò)展了電路的帶寬，同時(shí)運(yùn)用并聯(lián)峰化負(fù)載也補(bǔ) 償了電路的高頻增益，提高了電路在整個(gè)工作帶寬的增益平坦度。
同時(shí)為了測(cè)試的目的，輸出端由4個(gè)MOS管構(gòu)成源級(jí)跟隨器，用 來(lái)驅(qū)動(dòng)50Q的負(fù)載終端。
下面給出一個(gè)具體實(shí)現(xiàn)的例子。
相關(guān)的電路元件參數(shù)如下
Lu=L12=1.7nH， C產(chǎn)55fF, L2^4.85nH， Qj產(chǎn)C22=900fF; Rfi=Rfz=lKn， Lfl=LE=308pH， Cfl=CG = 80.5ff; Ru=Rl2-85" Lu=LL2=3.57nH;
WM =WM7=40nm， WM6=WM8=75pm0
所有MOS器件的長(zhǎng)度為0.18Mm，電路工作電壓Vdd為1.8V，主體 電路電流消耗10mA，源級(jí)跟隨器電流消耗4mA，總功耗為25.2mW。
電路的仿真結(jié)果如圖5，圖6所示，電路工作頻段3.1-10.6GHz，輸 入匹配S 小于-13.72犯，輸出匹配&小于-14.23< ，增益S21最大為 13.48dB，增益<S21最小為12.04dB，增益波動(dòng)為1.44dB，噪聲系數(shù)NF 為2.392-2.734dB。
權(quán)利要求
1.一種超寬帶低噪聲放大器，由匹配級(jí)(1)、放大級(jí)(2)、負(fù)載級(jí)(3)依次連接組成，其特征在于所述放大級(jí)(2)由四個(gè)MOS管和兩個(gè)反饋電路組成，放大級(jí)(2)為四端口網(wǎng)絡(luò)，兩個(gè)輸入端，兩個(gè)輸出端；其中，第一輸入端(Vim)連接第一MOS管(M1)的柵極，第一輸出端(Vom)接第二MOS管(M2)的漏極，第一MOS管(M1)的柵極與第二MOS管(M2)的漏極之間連接第一反饋電路；第二輸入端(Vip)接第三MOS管(M3)的柵極，第二輸出端(Vop)接第四MOS管(M4)的漏極，第三MOS管(M3)的柵極與第四MOS管(M4)的漏極之間連接第二反饋電路；兩個(gè)共源MOS管即第一MOS管(M1)、第三MOS管(M3)的漏端分別接兩個(gè)共柵MOS管即第二MOS管(M2)、第四MOS管(M4)的源端。
2. 如權(quán)利要求1所述的一種超寬帶低噪聲放大器集成電路，其特征 在于所述第一反饋電路由第一反饋電阻(Rfi)、第一反饋電容(CfO、第一反饋電感(Lfl)串聯(lián)組成；第二反饋電路由第二反饋電阻(Rf2)、第二反饋電容 (CC)、第二反饋電感(Lf2)串聯(lián)組成。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種超寬帶低噪聲放大器，由匹配級(jí)、放大級(jí)、負(fù)載級(jí)依次連接組成，其中放大級(jí)由四個(gè)MOS管和兩個(gè)反饋電路組成，放大級(jí)為四端口網(wǎng)絡(luò)，兩個(gè)輸入端，兩個(gè)輸出端；其中，第一輸入端連接第一MOS管的柵極，第一輸出端接第二MOS管的漏極，第一MOS管的柵極與第二MOS管的漏極之間連接第一反饋電路；第二輸入端接第三MOS管的柵極，第二輸出端接第四MOS管的漏極，第三MOS管的柵極與第四MOS管的漏極之間連接第二反饋電路；兩個(gè)共源MOS管即第一MOS管、第三MOS管的漏端分別接兩個(gè)共柵MOS管即第二MOS管、第四MOS管的源端。本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、能耗低，能滿足超寬帶通信系統(tǒng)在全頻段內(nèi)的功能要求。
文檔編號(hào)H03F1/26GK101350592SQ20081002240
公開(kāi)日2009年1月21日 申請(qǐng)日期2008年7月11日 優(yōu)先權(quán)日2008年7月11日
發(fā)明者汪小軍, 勇 王, 黃風(fēng)義 申請(qǐng)人:東南大學(xué)